子母弹囊式抛撒流场数值仿真及子弹运动规律研究

摘要

本文以囊式抛撒系统在超音速子母武器系统上的工程应用为背景，采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法对子母弹囊式抛撒分离干扰特性进行了研究，系统地分析了囊式抛撒系统子弹药初始抛撒速度、分离姿态角、分离舱段、抛撒时序、分离马赫数等特征参数对分离运动特性的影响。针对气囊破损后高压气体喷流的干扰效应，建立了子母弹囊式抛撒喷流干扰数值计算模型，揭示了喷流干扰对分离流场结构和子弹药气动特性及动力学特性变化规律的影响。论文主要研究工作如下:
　　1)设计并开展了囊式动态抛撒试验和子母弹分离风洞试验。通过数据信息采集系统和高速摄影仪记录了囊式抛撒全过程动态特性，揭示了子母战斗部囊式抛撒系统的作用过程和规律，试验结果表明抛撒系统安全可靠、装药结构设计合理可行。针对子母弹分离气动干扰问题，分别开展了子母弹单舱分离和多舱时序分离风洞试验，捕捉了子弹药分离干扰流场纹影图，初步探讨了典型位置、姿态和时序下子弹药气动特性和分离流场结构生成机理，为开展非定常抛撒流场数值仿真研究奠定了试验基础。
　　2)结合燃烧学、内弹道学和气体动力学等相关理论，建立了气囊膨胀抛撒过程数理模型。根据抛撒系统的结构特征和各模块的功能特性，将整个抛撒过程划分为三个阶段，即火药定容燃烧、气囊定容充气和气囊膨胀运动阶段，系统阐述了各阶段燃气发生系统内弹道过程、气囊充气膨胀过程和子弹运动过程的特性变化规律。通过与试验结果的对比分析，验证了数值计算模型的准确性。
　　3)研究了包含多体动边界分离非定常流场的数值计算方法。针对子母弹多舱段时序分离问题，建立了刚体动力学方程和流体控制方程的气动耦合求解方法，通过宏函数的编译实现了对不同舱段子弹药动边界和时序分离的控制。为解决多体时序分离过程中网格大变形与边界大位移的问题，发展了顶点弹簧法、局部网格重构法和网格自适应法三者相结合的网格变形策略，并通过采用网格光顺法和面交换法相结合的措施对重构后的网格进行修正，提高了网格的变形能力和求解精度。在此基础上，对文中所用数值计算方法进行了验证。
　　4)针对子母弹单舱段抛撒过程，以子弹药抛撒速度和分离姿态角为特征参数，对6种组合抛撒方案下的子母弹非定常分离过程进行了数值模拟。通过仿真计算系统地分析了初始抛撒速度和分离姿态角对子弹药分离气动特性、动力学特性及其后续分离姿态的影响，揭示了母弹激波扫掠过程对子弹药分离过程的作用机理，并依据数值计算结果给出了合理的囊式抛撒特征参数。
　　5)针对子母弹多舱段时序抛撒过程，建立了子母轴向排布时序抛撒数值计算模型。通过对不同舱段子弹药独立抛撒过程数值仿真研究，探讨了不同舱段子弹药分离气动特性和动力学特性变化规律，捕捉了不同时刻干扰流场特性和子弹药分离运动轨迹。在此基础上，通过对两种时序间隔方案下的子弹药时序分离过程仿真分析，揭示了各舱段子弹药不同分离阶段气动干扰相互作用过程，探讨了抛撒时序间隔对各舱段子弹药分离气动特性和动力学特性的影响，并依据数值计算结果给出了不同舱段子弹药最短时序抛撒间隔。
　　6)针对气囊破损后高压气体喷流对子母弹分离流场的干扰问题，建立了子母弹囊式抛撒喷流干扰数值计算模型。通过对三种典型喷口位置处子母弹喷流干扰分离过程的仿真计算，揭示了高压气体喷流对分离流场结构、弹体分离气动特性和动力学特性的影响。在此基础上，分别对中心喷口位置处0.8Ma、1.2Ma和3Ma下子母弹分离过程进行了仿真分析，探讨了喷流干扰对弹体分离速度、分离位移和翻转角速度等特征参数的影响。
　　本文不仅可以为子母弹囊式多舱段抛撒分离过程的研究提供试验和理论方法，也可为囊式抛撒技术在超音速子母武器系统上的工程应用提供重要的参考依据。

目录

声明

摘要

图表目录

符号表

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 子母弹抛撤系统研究概况

1．2．2 子母弹多体分离与干扰研究概况

1．2．3 包含多体动边界数值方法研究概况

1．3 本文主要工作

2 子母弹抛撤分离试验研究

2．1 子母弹囊式动态抛撤试验研究

2．1．1 囊式抛撤试验设计

2．1．2 试验系统主要构件

2．1．3 试验测试方案设计

2．1．4 试验结果及分析

2．2 子母弹分离气动干扰试验研究

2．2．1 单舱分离试验模型

2．2．2 多舱时序分离试验模型

2．2．3 数据采集系统

2．2．4 气动干扰试验结果及分析

2．3 本章小结

3 理论模型及计算方法

3．1 气囊膨胀模型

3．1．1 基本假设

3．1．2 囊式抛撒过程数理模型

3．1．3 囊式抛撒过程数值计算及验证

3．2 流体控制方程

3．3 离散格式

3．3．1 空间离散

3．3．2 时间离散

3．4 湍流模型及边界条件

3．4．1 双方程k-ε湍流模型

3．4．2 壁面函数法

3．4．3 边界条件

3．5 自适应动网格方法

3．5．1 基于弹性变形的网格调整

3．5．2 局部网格重构法

3．5．3 自适应网格技术

3．5．4 网格光顺方法

3．6 包含动边界分离的耦合求解方法

3．6．1 刚体动力学方程

3．6．2 耦合求解过程

3．7 数值算法验证

3．8 本章小结

4 单舱抛撒特征参数对分离特性影响研究

4．1 计算条件

4．1．1 结构模型

4．1．2 网格划分

4．1．3 边界条件

4．2 单舱抛撒数值方法验证

4．3 分离姿态角对弹体分离特性影响分析

4．3．1 干扰流场结构

4．3．2 子弹药气动特性分析

4．3．3 子弹药动力学特性分析

4．4 抛撤速度对弹体分离特性影响分析

4．4．1 干扰流场结构

4．4．2 子弹药气动特性分析

4．4．3 子弹药动力学特性分析

4．5 本章小结

5 多舱时序抛撒对分离特性影响研究

5．1 计算条件

5．1．1 结构模型

5．1．2 网格划分

5．1．3 边界条件

5．2 多舱段时序抛撒数值方法验证

5．3 子母弹不同舱段独立抛撒数值模拟研究

5．3．1 不同舱段分离流场特性

5．3．2 不同舱段子弹分离气动特性

5．3．3 不同舱段子弹分离动力学特性

5．4 子母弹多舱段时序抛撒数值模拟研究

5．4．1 时序抛撒干扰流场结构

5．4．2 子弹药时序分离气动特性

5．4．3 子弹药时序分离动力学特性

5．5 本章小结

6 子母弹囊式抛撤喷流干扰特性数值模拟研究

6．1．1 基本假设

6．1．2 结构模型

6．1．3 网格划分

6．1．4 边界条件

6．2 不同位置处喷流干扰分离过程数值模拟研究

6．2．1 无喷流干扰流场结构

6．2．2 喷流干扰流场结构

6．2．3 高压喷流对子弹气动特性影响分析

6．2．4 高压喷流对子弹动力学特性影响分析

6．3 跨声速无喷流干扰分离过程数值模拟研究

6．3．1 分离流场结构

6．3．2 子弹分离气动特性分析

6．3．3 子弹分离动力学特性分析

6．4 跨声速喷流干扰分离过程数值模拟研究

6．4．1 跨声速下喷流干扰流场结构

6．4．2 子弹分离气动特性分析

6．4．3 子弹分离动力学特性分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 论文主要工作总结

7．2 论文创新点

7．3 工作展望

致谢

参考文献

附录